Historique
L’évolution métallurgique à haute température, avec ou sans sollicitation mécanique ou chimique, est un point-clé du dimensionnement pour les pièces de structure dans des domaines tels que l’aéronautique (turboréacteurs), l’automobile (culasses, ligne d’échappement…), la production d’énergie électrique (chaudières, cœurs de réacteurs nucléaires, circuiteries, échangeurs…). Des collaborations anciennes et pérennes existent entre laboratoires franciliens (notamment ONERA, CEA, Ecole des Mines de Paris…) sur ces thématiques. Elles ont notamment abouti au co-développement de nouveaux alliages pour l’industrie aéronautique (disques et aubes de turbines), particulièrement résistants à haute température.
Existant
Les mécanismes physiques de déformation et d’endommagement en fatigue, en fluage, en fatigue-fluage sont expérimentalement étudiés sur des matériaux industriels comme sur des matériaux modèles. L’évolution métallurgique des alliages sollicités à haute température est étudiée en détail avec des outils similaires à ceux utilisés pour les traitements thermomécaniques (thème 3). Les transformations de phase à haute température font l’objet d’une attention particulière en modélisation, dans laquelle on prend en compte des couplages forts entre chargement thermomécanique et évolution métallurgique (cf. thème 2).
Objectifs
Le comportement à haute température des pièces industrielles doit souvent être évalué sur des durées de vie longues, qui dépassent largement la durée typique d’une thèse. Différentes méthodes existent pour l’aborder : essais de très longue durée (notamment en fluage dans les laboratoires du CEA Saclay), essais accélérés pour lesquels il faut préserver la représentativité des mécanismes physiques. Ces derniers nécessitent la mise au point d’une méthodologie d’accélération propre au problème posé, qui fait généralement intervenir un chargement thermomécanique complexe.
Les laboratoires franciliens possèdent à la fois des plateformes d’essais de ce type et une longue expérience de mise au point et d’interprétation poussée d’essais sur des machines plus simples, notamment en approche locale de l’endommagement et de la rupture. L’application de ces mêmes méthodes à l’évolution métallurgique, notamment sous contraintes, nécessite de fédérer les moyens et les compétences, afin de développer une chaîne complète d’essais et de méthodes d’analyse :
- Les plus simples permettent d’analyser les mécanismes individuels et/ou d’intervenir très en amont dans le développement de nouveaux alliages. On étudiera par exemple la diffusion sous contraintes ou les mécanismes de fluage de matériaux modèles, à chimie et microstructure contrôlées.
- Les plus complexes donnent accès aux interactions entre mécanismes dans des conditions les plus réalistes possibles pour l’application envisagée. Le couplage avec les effets d’environnement (notamment la corrosion sèche et la prise d’hydrogène) est un point fort des collaborations dans ce domaine (cf. thèmes 6 et 7).
Moyens « hors-normes »
- Plateformes d’essais complexes, notamment fatigue thermomécanique uniaxiale ou biaxiale, avec contrôle de la température et/ou de l’environnement (Mines, Cachan ?)
- Laboratoires de fluage (ce n’est plus courant de nos jours !) : machines de fluage sous vide, sous gaz neutre, et jusqu’à 2000°C. CEA Saclay, Onera, Mines…
- Essais de relaxation, fluage relaxation : Mines, Onera
- Essais thermomécaniques sous vapeur, représentatifs de situations accidentelles (CEA Saclay)
- Dilatométrie sous faible charge avec suivi de résistivité in situ (Mines/CEA Saclay)
- Essais de ténacité à chaud Mines, Saclay, Onera
- Collaborations avec le Materials Aging Institute des Renardières